（计算机软件与理论专业论文）环境因素影响下的植物可视化模型研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 近年来，植物建模逐渐成为一个跨学科研究的活跃领域，吸引了生物学家、 应用植物学家、数学家以及计算机科学家的普遍关注，尤其是计算机图形学技术 的引入，为植物建模的发展提供了更加广阔的发展空间。然而，如何在计算机上 实现环境因素影响下的植物模拟是计算机图形学研究的一个难点，具有特殊的困 难，主要表现在植物与环境的交互相当复杂且涉及较多因素，很难找到一个普适 的数学模型来描述这种交互。目前，人们一般采用开放式l 系统来模拟这种交互。 本文主要从环境因素影响下的植物建模出发，探讨和研究了植物与环境之间 的关系，提出了模拟环境因素影响下的植物可视化模型框架，主要工作如下： 研究环境因素影响下的植物可视化模型的理论意义和应用领域，重点考察 了国内外虚拟植物生长方面的研究现状和实现的方法，总结了国内外目前已经研 发出来的植物可视化软件。 深入分析植物与环境的关系，重点考察光、水、温度对植物生长的影响， 分析了环境因子作用的特点，抽象出了植物与环境的交互模型：植物与环境之间 可以视为一个因果链接的事件序列，在植物收到刺激之后，信息以某种形式通过 植物体处理并进行传输，从而植物作出反应；这一反应反作用于环境，使环境作 出调整，又反过来影响植物。 研究环境因素影响下的植物生长模型，对作物发育的正态模型进行了研 究，并分析了植物生长的光照模型、温度模型和水分模型。 提出了一个新的比较完善的以l 系统集合其他植物建模方法的实现环境因 素影响下的植物建模的框架，称为o l p l a n t s 系统。o l p l a n t s 系统运用对象管理模 型和植物形态发生模型，集合作物正态发育模型和环境因子对植物生长的影响模 型进行建模。在模拟过程中，对场景进行层次化，对离视点较远，细节要求低的 地方采用l o d ( 层次细节技术) 绘制，提高了程序运行效率。 使用l - s t u d i o 等软件对我们提出的框架进行了实验，并实现了o l p l a n t s 系统原型。最后，对全文的工作进行了总结，并对以后的工作进行了展望。 关键词：虚拟植物生长，环境因素，o l p l a n t s ，l 系统，生态系统模拟，对象管理 模型，形态发生模型 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h em o d e l i n go nv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fv i r t u a lp l a n tg r o w t hi s g r a d u a l l yb e c o m i n ga l li n t e r d i s c i p l i n a r yf i e l d , w h i c ha t t 仡l c t sb i o l o g i s t s a p p l i c a t i o n b o t a n i s t s , m a t h e m a t i c i a n sa n dc o m p u t e rs c i e n t i s t s u n i v e r s a lc o n c e r n e s p e c i a l l yw h e n t h ec o m p u t e rg r a p h i c si si m p o r t e d , i tp r 0 、r i d 酷ab r o a d e rd e v e l o p m e n ts p a c ef o rt h e p l a n tm o d e l i n g h o w e v e r , h o wt oa c h i e v et h ep l a n tg r o w t hs i m u l a t i o nu n d e rt h ei n f l u e n c eo f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r so i lt h ec o m p u t e ri sah o tp r o b l e mo fc o m p u t e rg r a p h i c s s i m u l a t i o nw i t hs p e c i a ld i f f i c u l t i e s ，m a i n l yi nt h ec o m p l i c a t e di n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e p l a n t sa n dt h ee n v i r o n m e n ta n dt h e r e 黜m a n yf a c t o r si n v o l v e dw h i c hm a k e si td i f f i c u l t t of i n dam a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b et h ei n t e r a c t i o n s c u r r e n t l y , t h eo p e n - ls y s t e m i sg e n e r a l l yu s e dt os i m u l a t et h i si n t e r a c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ne x p l o r e st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ep l a n ta n dt h ee n v i r o n m e n t s m a i n l y f r o mt h ep l a n tm o d e l i n gu n d e rt h ei n f l u e n c eo f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s t h em a j o r w o r k sa l ea sf o l l o w s ： t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e so nt h et h e o r ys i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nd o m a i no f p l a n tv i s u a l i z a t i o nm o d e l i n gi i l s p i c c 忸t h er e s e a r c hs t a t u sa n dt h ea c h i e v i n gm e t h o d so f t h ev i r t u a lp l a n tg r o w t ha th o m ea n da b r o a d , a n da g g r e g a t e st h ep l a n tv i s u a l i z a t i o n s o f t w a r ew h i c h d e v e l o p e dd o m e s t i ca n df o r e i g n t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e np l a n ta n dt h ee n v i r o n m e n t s d e e p l y , i n a k e sas u r v e yo ft h ei n f l u e n c e so fl i g h t , w a t e ra n dt e m p e r a t u r eo np l a n t g r o w t h , a n a l y z e st h ef e a t u r e so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s e f f e c t , a n da b s t r a c t st h ep l a n t a n dt h ee n v i r o n m e n ti n t e r a c t i o nm o d e l ：t h ei n t e r a c t i o nb e t w g c nt h ep l a n ta n dt h e e n v i r o n m e n tc a nb e9 嘲a sac a u s a ll i n kt ot h ee v e n t q u e n c e 。t h ep l a n tr e c e i v e s s t i m u l a t i o n ；i n f o r m a t i o ni ns 嘲ef o r mi sp r o c e s s e da n dt r a n s m i t t e d ；t h e np l a n t r e s p o n s e s ；t h i sr e s p o n s er e a c t s t ot h ee n v i r o n m e n t , l e a d st ot h ea d j u s t m e n to ft h e e n v i r o n m e n t , w h i c hi nt i na f f e c t sp l a n t s p l a n tg r o w t hm o d e lu n d e rt h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r sm f l u e n c ei sr e s e a r c h e d t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h en o r m a lm o d e lo f t h ec r o pd e v e l o p m e n t , a n da n a l y z e st h e p l a n tg r o w t hm o d e la f f e c t e db yl i g h t , t e m p e r a t u r ea n d m o i s t u r e p r o p o an e ws o u n df i a m c w o r k w h i c hs o to t h e rp l a n t sm o d e l i n gm e t h o d st o h 里鏖查堂堡主堂堡垒奎 茎奎塑墨 a c h i e v ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r si n f l u e n c ep l a n tm o d e l i n gw i t hl - s y s t e m s ，c a l l e d o l p l a n t ss y s t e m o l p l a n t su s 嚣o b j e c t sm a n a g o n e n ts y s t e mm o d e la n dt h ep l a n t m o r p h o l o g ym o d e l a n dt h ep l a n tm o d du s i n gc r o pg r o w t hn o r m a lm o d a li sb u i l ta n d t h ee n v i r o m e n t a lf a c t o r so l lp l a n tg r o w t hi sc o n s i d e r e d i nt h es i m u l a t i o n , t h es 咖ea l e d i v i d ea ss e v e r a ll a y e r st oi m p r o v es i m u l a t i n ge f f i c i e n c y ar o u g hr e n d e r i n gl a y e ra l e d e m o n s t r a t e dw h e nt h es 咖ei sf a rf r o mt h ev i e w p o i n ta n dt h ed e t a i l sr e q u i r e dl o w m ce x p e r i m e n tw a sc a r r i e db yl - s t u d i ot ot e s tt h eo l p l a n t sf r a m e w o r la n d o l p l a n t ss y s t e mp r o t o t y p ew a sr e a l i z e d f i n a l l y , s u m m a r i z et h ew o r ko ft h ew h o l e d i s s e r t a t i o na n dp r o p o s et h ef u t u r ew o r k k e y w o r d s ：v i r t u a lp l a n t sg r o w t h , e n v i r o n m e n tf a c t o r s ，o l p l a n t s ，l - s y s t e m , e c o s y s t e m sm o d e l i n g , o b j e c t sm a n a g e m e n ts y s t e mm o d e l ，t h ep l a n tm o r p h o l o g ym o d e l 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：移弋v 签字日期： 学位论文版权使用授权书 哳矿日 本学位论文作者完全了解重迭太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 导师签名： 签字日期：沙7 牢夕月7 1 日 ( 重庆大学硕士学位论文l 绪论 l 绪论 1 1 问题的提出及意义 1 1 1 问题的提出 虚拟植物即应用计算机模拟植物在三维空间中的生长发育状况，是近几十年 来随着计算机技术进步而迅速发展起来的研究领域，在农学、林学、生态学、遥 感、计算机科学等众多领域有着广阔的应用前景。其主要特征是以植物个体为研 究中心，以植物的形态结构为研究重点，以可视化的方式反映植物的形态结构规 律。 但是植物的生长不是孤立的，它受到很多因素的影响。一株植物在现实世界 中是分地上方部分和地下部部分( 当然也有水下部分和水上部分，也有部分植物 只存在于一个空间) ，而植物地上和地下部分在三维空间中的占据方式即是植物的 形态结构，它很大程度上决定着植物的竞争能力和资源获取强度。就某一时刻而 言，植物地上部分的空间分布直接决定着光辐射截获量，而植物的光合作用和蒸 腾等受制于光辐射截获量；而光合产物的生产和分配又影响了植物各部分的生长 发育，从而决定下一时刻植株的形态。植物生长发育过程实质上就是形态结构与 功能相适应的循环过程，植物的形态结构在其中占据着重要位置。另外，植物的 形态结构也决定了植物个体与群体的许多属性。比如对果树剪枝、红薯去藤、西 瓜去藤等是基于植物形态结构对光合产物分配影响的研究；为研究最有效的施药 方法，须研究喷洒的农药在植株上的分布及与病害、害虫的位置关系( 包括是在叶 片的正面还是背面) ，而这与植物的空问结构紧密相关；另外，为提高对森林、农 田作物生长状况的遥感判读的准确性，也必须研究遥感影像与植物形态结构的关 系。因此，对植物形态结构的研究在多个应用领域均具有重要应用价值，同时对 其研究也决不是独立的，应该将植物与环境结合起来研究。 本文的重点就在于研究环境因素影响下的虚拟植物建模。 1 1 2 研究的理论意义及应用领域 环境因素影响下的虚拟植物模型研究对植物学、虚拟现实、计算机仿真等方 面的学科具有重要的意义。科学家们对人化世界在计算机上模拟算法已经研究得 非常彻底，并在很多方面得到了具体的应用。然而，长期以来，对自然界事物在 计算机上的模拟是令广大学者非常头疼的事情，他们试图理解植物的生长和发育 过程。近年来，随着计算机图形学的发展和计算机处理能力的提高，人们在计算 机上建立了各种模型来动态的描述植物的发芽、生长、死亡等全部过程。然而， 到目前为止，由于植物的生长发育过程受到多种因素的影响，其生长过程非常复 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 杂，尚未发现一种可靠的算法来实现植物生长过程在计算机上真实模拟。所以虚 拟植物的生长可视化技术研究非常必要，它是虚拟现实和计算机仿真等学科的核 心技术，是计算机图形学研究的热点，具有很高的学术意义。 目前植物生长模拟研究的方向主要有两个：一个是单纯的植物外观形态模拟， 它注重真实的视觉效果，主要应用领域如下： 教育：用于制作数字图书馆、植物生长模拟软件。让大众形象的认识和了 解他们赖以生存的植物。 娱乐：用于三维动画场景的制作、电子游戏中虚拟场景的生成、影视特效 的制作等。 计算机辅助设计：用于园林及城市规划和生活区设计等。 用于网上销售花卉等电子商务方面、广告的创意制作。 植物生长模拟研究的另外一个方向是植物生长过程的模拟，在模拟植物生长 过程中考虑植物的生理学特征，主要应用领域有两个方面。 第一个应用是虚拟试验。应用计算机建立能客观反映现实世界规律的虚拟模 型进行虚拟实验，可以部分地替代在现实世界难以进行的，或者是费时、费力和 费资金的实验。如美国实施的s i b l eh u m a n 工程，就是将尸体切片、扫描输入计 算机，在计算机上重建真实人体的三维图像，这样，医学人员就可以对虚拟人体 进行解剖教学、虚拟手术等。应用虚拟植物模型也能够进行一系列的虚拟试验。 如植物群体光分布的研究，过去主要是依据b e e r - l c m b e r t 公式来计算，应用该公 式需要引入叶片分布的假设，如随机分布，这常常会带来较大的误差，特别是在 行播作物的生长前期。而且无法获得植物冠层光分布的空间规律。在现实世界中 植物冠层的光分布具有很大的空间变异性，受冠层结构以及各器官的几何形状等 影响。应用虚拟植物模型可计算出植物冠层空间中任意位置点的光通量值。实现 对植物冠层光辐射空间分布的模拟具有重要的价值。到目前为止，研究人员对农 田蒸散的定量化误差很大，而且很难将植物蒸腾与土面蒸发分开。应用虚拟植物 模型则可以将土壤水分的空间分布、到达土面的辐射能量分布结合起来，计算土 面蒸发量；将植物每个叶片接收的光辐射量、水分在植物体空间的传输阻力、植 物群体内的风速等综合考虑，计算出植物蒸腾的空间分布，从而实现对农田蒸散 的精确研究，为困扰水文、农业、气象等领域的水分转化问题提供新的方法。对 作物冠层光分布的精确模拟，另一个重要的应用领域是为作物株型设计提供理论 依据。为大幅度提高作物产量，需培育超级作物品种，如超级杂交稻。而育种学 家注意到，为获得超级品种需优化作物株型。如依据虚拟植物模型建立超高产作 物株型设计系统，通过先用计算机设计不同株型，虚拟其生长，模拟其光截获能 力与光合产量形成能力，优选出理想株型，就能为育种明确方向，减少盲目性。 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 作物从土壤吸收水分、养分时，由于土壤物理性质的空间不均一性、根系不同位 置吸收性能的差异，使农田土壤水分、养分的分布随作物生长而出现显著的空间 不均一性。由于进行这方面试验研究的困难较大，对此，我们可以对根系吸收的 空间特征、土壤对根系行为的响应进行虚拟试验，研究农田土壤水分、养分时空 动态规律，从而确定合理的灌溉、施肥的方案，以提高水分利用率、减少化肥的 浪费与污染。此外，对于大田生产，根据所在地区的资源状况，可应用虚拟模型 研究作物个体的根冠关系，选择个体竞争能力适合于当地资源状况的作物品种： 可依据高产农田的群体结构特征，应用模型优化作物种植和套种方式，从而为提 高不同地区、不同条件下的作物产量提供指导。而对于追求高产值的大棚温室等 特定生态系统，由于可对环境条件( 如温度、光照、c o ：浓度等) 实现自动化控制， 应用虚拟模型更具有可操作性。通过研究温室土壤水分、养分和盐分以及温室植 物形态结构的特有规律，应用虚拟模型设计精确灌溉、施肥、旋药、采收方案， 从而可获取最高边际产值。 第二个应用是虚拟农场。虚拟植物模型的可视化特征，使得它非常适宜应用 于教学。由于虚拟植物需要强大的计算能力和图形能力，故现有的虚拟植物系统 大多是基于较昂贵、操作界面复杂的图形工作站( 主要是s g i 工作站) ，这无疑限制 了应用者的数量。近几年来，个人计算机的性能已迅速增强，已基本能满足虚拟 植物的要求，因此目前虚拟植物系统已逐步向微机移植。微机价格低廉、便于操 作的特点，使得在教学、科普教育和农业科技推广领域应用虚拟植物模型成为可 能。在不久的将来，即可利用虚拟植物模型建立虚拟农场，使学生和农民在计算 机上种植虚拟作物和虚拟农田管理，从任意角度甚至在作物冠层内漫游，观察作 物生长状况和动态过程，并可通过改变环境条件和栽培措施，直观地观察作物生 长状况的改变，这样可取得传统方式无法企及的效果，特别是对农业科技成果推 广而言，将使农民更易理解和掌握先进的农田管理技术。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 几个世纪以来，自然界中多彩多姿的植物深深地吸引了数学家、生物学家， 他们对其显著的几何特性作了广泛的研究，例如，叶子的左右对称、花的旋转对 称、松果上鳞片的螺旋排列等。1 9 6 8 年，美国生物学家l i n d e nm a y e r ( 1 9 2 5 1 9 8 9 ) 在生物杂志上发表了题目为 m a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rc e l l a ri n t e r a c t i o n s i n d e v e l o p m e n t ”的论文【l 】，第一次提出了形式化的表达植物分枝状况的系统“字符串 重写系统( s t r i n gr e w r i t i n gs y s t e m ) ，习惯称之为l 系统( l - s y s t e m ) 。该系统对植物 的形态与生长进行了形式化的描述，开始只着重于植物的拓扑结构，即植物的各 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 个器官( 主干，枝条，叶，果等) 之间的相邻关系，后来把字符串系统的各个符 号用几何图形加以表示，形成了现在被人们广为重视的l 系统。 为了利用l 系统建立完整有效的植物模型，研究学者们将其功能不断的进行 扩展。从早期的d o l - 系统2 1 开始，先后出现了随机l 系列3 1 、参数l 系统【4 翔、语 义相关l 系统。在此基础上，许多学者在一定程度实现了对某些植物生长发育的 模拟。例如，c f o u r n i e r 等人依据l 系统和计算机图形学实现了对玉米生长发育 过程的三维结构模拟，对玉米的生长过程进行了研究1 6 】。 为了能够模拟植物的连续生长过程，p r u s i n k i e w i c z 等人提出了时变的l 系统， 依据该方法能够生成植物生长过程的计算机动画。后来，在此基础上进一步提出 了微分l 系统，使得能够应用微分方程来表示植物的连续变化过程。为了实现对 植物与环境并发过程的模拟研究，m e c h 与p r u s i n k i e w i c z 等人提出了所谓的开放式 l 系纠”。该系统在形式化公理与产生式中引入了交流单元，用于传送、调整植物 与环境之间的相互信息。关于l 系统的这些拓展形式，正处在进一步研究和发展 中。 除了现在不断改进的l 一系统，还有很多植物模拟方法。美国学者r e e v e s 在 1 9 8 3 年提出了粒子系统( p a r t i c l e ss y s t e m ) ”的建模方法【g j 。粒子系统是一种为杂乱 对象( 比如火焰、云、水等) 进行模拟的建模技术。粒子系统由很多粒子构成， 在一定的时间内，每个粒子都会经历产生、移动、变化和死亡的过程。其最终模 型是能够移动、变形的动态模型。用粒子系统来对物体进行建模的过程在r e e v e s 之前有一个萌芽的过程。在电脑游戏中就用许多很小的发光点来表示飞船的爆炸 过程，r o g e r w i l s o n 曾经用粒子系统来表示烟雾的产生阴，j i mb l i n n 曾经用粒子来 进行模拟光线的传送【1 0 1 。这种模型用经典的基于表面的建模方法是办不到的。 之后，r e e v e s 又提出了一种结构化的粒子系纠1 1 】，用该方法成功的描述了树 木、草地等复杂的景物。粒子系统的粒子不再独立，系统更加结构化，在生成对 象的时候，不但绘制粒子本身，粒子运动的轨迹也要被描述，所以可以描述树叶 等模型，但是树的主干及较大的分支采用传统的几何造型。该方法不适合用于描 述植物的生理形态结构，但可以用于描述数量较多的场景，比如森林、草地等。 美国学者j a s o nw e b e r 于1 9 9 5 年在计算机图形年会上提出了一种只重视树木 外观几何形状的建模方法【l “，这种建模方法不是严格遵循树木的生理结构。这个 模型可以被一般的用户采用，除了一定的几何知识外，不需要太多的数学和生物 学的基础。该模型定义了很多的参数，w e b e r 利用参数，就可以构造出与样本十分 类似的几何图形，同时，该模型还给出了多分辨率模拟算法的一种简化算法，使 得大片森林背景可以得到实时的绘制。 v i e n n o t 提出的分枝矩阵模型( r a m i f i c a t i o nm 曲奴) 用矩阵来描述植物分枝节点 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 的个数和彼此之间的关系，加上自定义的几个结构参数，通过迭代产生植物的分 形结构【1 3 1 。 g r e e n e 提出了一种基于体素空间( v o x e ls p a c e ) 的方法 1 4 , 1 5 1 。体素空问是把一 块三维空间区域细分为若干的小立方体( c u b e ) ，每一个小的立方体就是一个元素。 模型根据他们在体素空间中相交、相邻、碰撞等关系在体素空间中“生长”。空间中 的植物和周围环境都用体元素近似表示。根据体元素的编号，可以检测植物与周 围的环境是否占用相同的空间，实现了植物与障碍物的碰撞检测。实验证明，植 物在体素空间中生长比在传统几何空间中生长的速度快很多，而且生长的模型更 为简单。并且可以根据体素空间元素划分的大小，控制植物的生长速度。体素空 间越小，植物的生长过程越慢，反之越快。 a o n o 和h o n d a 提出了构造植物形态的a 系统，该模型针对早期l 系统不能 生成复杂三维枝条结构的缺点，根据植物诸如单轴分枝结构、合轴分枝结构等特 征，设定分枝角度按照一定的统计规律随机变化，并由自创的吸引子( a t w a o x , r ) 算 法，模拟光照、重力以及风等对植物形态的影响，形象地模拟了多种植物。 l i n t e r r n a n n 等提出了基于功能图符的交互式植物构造模型【1 6 1 。该模型是以整 个枝条为单位来构造植物，虽然不符合植物的实际生长特点，但是可以作为一个 纯图形学意义上的植物构造模型，而且参数输入方法结构清晰，容易操作，己经 应用于x f r o g 软件。 d e r e f f y e 等提出了“参考轴技术”的植物建模方法【1 7 】，该方法用有限自动机 ( f i n i t ea u t o m a t i o n ) 来描述植物的形态，用随机过程的马尔可夫链理论以及状态 转换r e ( s t a t et r a n s i t i o ng r a p h ) 劣式来描述植物的生长模型。该模型有两个方面的特 点，第一个特点是该模型能够很真实的反映植物的生长模型，该模型包含了植株 架构的生理知识：树是如何生长的，它们如何向空中延伸，树叶、花朵和果实如 何分布等等。第二个特点是该模型能够可视化植物生长的各个阶段( 可以得到不 同生长阶段的不同图片，可以准确的模拟植物的死亡和植株的分支现象) 。另外， 该模型很容易把周围的物理环境参数集成到该系统中，比如风、养分、病虫害等， 是农学和生物学研究的一个非常有效的工具，是第一个真正符合植物生长规律的 模型。 1 2 2 国内研究现状 中科院自动化所中法实验室从1 9 9 7 年开始进行了虚拟植物生长的合作研究。 其研究的基础主要是基于剐忱a p 公司虚拟植物生长的方法，系统采用了参考轴技 术和双自动机模型。a a m a p 用于模拟植物生长的软件主要有两部分核心技术。第 一部分是如何表达植物各个器官的拓扑结构，植物器官在空间中定位的几何信息 被储存起来，它包含了植物生长原理、外界环境对植物生长的影响、植物之间竞 5 重庆大学硕士学位论文l 绪论 争和互利机制对植物群落生长的影响等方面【l 饥。第二个部分是植物各个器官的建 模( 比如根、茎、叶、花瓣和果实等) 。它是进行虚拟植物生长建模的最小单元， 是进行第一部分的基础。中科院自动化所的伍怡等人对第二部分虚拟植物器官的 建模进行了详细的研究，在p c 平台下，利用v i s u a lc + + 开发工具开发了一个可产 生通用器官的二维图形符号，并能用o p e n g l 进行三维可视化的软件 ( a m a p o r g a n ) 。该软件生成的器官模型可以被其它软件调用。 中国科学与技术大学赵星博士在其博士论文【1 8 】研究期间，深入的分析了当今 世界上现有的各种植物建模的方法，提出了一个既忠实于植物学，又简明易用、 面向过程的植物形态发展模型。其研究的成果包括： 提出了一种植物形态发生模型- 双尺度自动机模型”的建立。 提出了忠实于植物实际生长状况的植物生长模型概率模型。 对虚拟农作物生长的方法和过程进行了探讨。 基于双尺度自动机模型的植物枝条弯曲算法。 宋有洪提出了基于玉米器官生物量模拟其形态的方法【1 9 , 2 0 j ，应用2 0 0 0 年田间 试验数据提取了玉米节问、叶鞘和叶片的形态构建参数，模拟了2 0 0 1 年玉米不同 生长阶段的器官形态，模拟结果与田间试验数据吻合较好。展志岗考虑植物经历 的平均气候条件，在生长单元周期的水平上，建立了无水肥胁迫环境中冬小麦生 长的形态构造模型，模拟了小麦地上植株拓扑结构的生成、鲜物质的生产和分配 过程；根据实验数据估算模型的参数，模拟出了冬小麦在不同生长阶段的结构【2 ”。 和宋有洪的基本思想都是：以作物的生长单元为模拟单位，作物的拓扑结构变化 取决于环境温度变化的累积效应；在没有水肥胁迫的条件下，作物的生物量生产 取决于生长周期内的水分利用率，与水分蒸腾量有着直接的量化关系。这些模型 经过验证，都取得了比较满意的结果。 唐卫东等通过观察芦苇生长过程中发生的形态及生理变化圈，分析了形态结 构与生理因子之间的内在关系，并提出一种基于生长机的芦苇形态建模方法。根 据生成的形态模型有效组织芦苇生长时产生的大量数据，并建立其可视化流程。 郭焱等模拟了弯曲的玉米叶片【2 3 捌，其方法是通过空间坐标仪测定玉米叶片 的空间坐标值，代入表征玉米叶片曲线的二次方程中，求出方程的系数，确定了 叶曲线，这样得到的玉米叶片形状非常接近植物的实际形状。 李云峰等提出了一种基于植物器官图像的器官重建方法瞵】，以叶为例实现了 叶可视化重建。采用基于图像的技术，系统具有逼真的外观效果，实现了植物器 官快速可视化重建。 杨娟等利用n u r b s 和o p c n g l 对棉花主要器官果枝、铃、主茎叶、果枝叶、 花瓣、苞叶等进行建模【2 6 】，得到了逼真的效果。与三维数字化方法相比，省去了 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 大量精确数据的测量和数学表达式的拟合工作。 陈彦云等根据植物的自身特点 2 7 1 ，分别采用多边形、纹元( t e x e l ) 和体纹理 ( v o l u m e t r i c t e x t u r e ) 作为工具来构造不同的植物，并且分别给出了不同植物场景的 简单构造方法。 熊海桥提出了一种基于约束和粒子系统思想的植物根的建模方法【2 8 1 ，既体现 了约束的微观控制和粒子系统的宏观控制的优点，又保证了模型实际应用的效率 和速度，并结合b e z i e r 曲线实现了图形显示的优化。 刘晓东等利用动态纹理位图生成技术和b i l l b o a r d 技术相结合实时显示虚拟植 物群体生长的方法【2 9 1 ，利用这些技术有效减低了3 d 场景中的多边形数量，保证了 实际应用中的显示效果和速度。 目前，虚拟农业的研究工作正在相继展开，但是还有许多技术难题需要深入 研究。以上的研究成果多数集中在对植物器官静态结构的模拟方面，而在动态模 拟模型方面的研究还很少，因此与基于植物生理生态过程的植物生长模型的融合 还很困难，从而限制了这些成果在实际生产中的应用与发展。因此，建立具有一 定精度并且具有很强实用性的植物生长模拟模型还有很多工作需要进行。 1 2 3 现有的植物可视化软件 l s t u d i o 和曲 加拿大c a l g a r y 大学的p m s i n k i e w i c z 等人开发的植物分形发生器( p 1 a n tf r a c t a l g 嘲a t o r , p f g ) ，p f g 以形式语言l 系统为基础，利用“轴向树”表述植物的分枝特 征，进行植物生长的模拟，但由于复杂植物的l 系统规则难以提取，因此当用p f g 系统模拟一些较高大的植物时，效果不够理想。接着p r u s i n k i e w i c z 又利用参数l 系统对p f g 进行了改造，得到了连续作物分形发生器c p f g ( c o n 2 t i n u o u sp l a n t f r a c t a lg e n e r a t o r ) ，以及l p f g ，并研制了适用于不同操作环境的植物可视化系统 l - s t u d i o ( 微软视窗) 和a b ( s i l i c o n 图形工作站) 。l p f g 是将l 文法与c _ h 语言 相结合，更灵活的对植物进行模拟。l - s t u d i o 可分别通过c p f g 和l p f g 对植物进 行可视化。 a m a p 植物生长软件系统 法国农业发展国际合作研究中心( c 乙蛐) d er e f f y e 等人开发的a m ap 系列 软件在植物生长机理模型与可视化模型结合方面取得了卓有成效的进展。该软件 包括若干个子系统软件，以完成不同的应用功能。如a m a p m o d 子系统软件主要 用来建立具体植物的生长发育模型。a m a ps i m 子系统软件根据a m a p m o d 所建 立的描述植物生长、死亡，枝条分布情况的植物模型和三维可视化植物的生长过 程。a m a p p a m 的目标在于模拟环境对植物生长的影响该软件用参考轴技术描述 植物的拓扑结构，通过用体元素的方法表示植物的枝条，能模拟在植物之间生长 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 过程中枝条之间的相互碰撞、障碍物对植物生长的影响以及植物的向光性。在 a m a p h y d r o 中建立了植物水动力模型( h y d r a u l i e m o d e l ) 。该模型模拟了用类似电阻 的方法计算叶片和枝干及枝干对植物体中水分传输的影响，根据各器官所得到的 水分的多少模拟植物体内营养物质的产生和分配过程，并能模拟植物形态结构对 植物生长的影响。所计算出植物各器官的生长变化曲线，如节间的伸长和叶片的 扩展的变化曲线，已经与棉花和小麦等作物的测量参数进行了验证，取得了较好 的一致。但由于植物生长过程的复杂性，a m a p 软件目前的主要应用领域仍在景 观设计方面。 g r o g r a 2 4 澳大利亚c p a i 研究中心的k u r t h 等人在l 系统的基础上，结合外部环境模型 ( 光照、病虫害等) 以及由三维数字化仪获取的三维植物的测量数据，建立了虚拟植 物系统g r o g r a 2 4 g r o w t hg r a m m a rh t 盯c e p t o r ) 。 g r c c n l 曲模型 在舢儿a p 系列模型的基础上，中国与法国的研究人员又合作开发了新的结构 功能模型g 鳓= n l a b 。与以往的模型不同，它以数学公式表示，弥补了a 1 订a p s i m 在 模拟植株的生理生态功能的欠缺，又克服了a m a p h y d f 0 只能模拟简单形态结构的 不足，而且具有计算时间短的优点。它的建立基于以下几个准则：积温驱动器官 的生长；叶子的水分传输取决于植物体的水压结构；干物质的生产和器官的生长 取决于碳的同化作用、平均水分利用率、碳分配( 即于物质分配) 和器官的几何生长 异率。目前，这个模型已经成功的运用在了玉米、向日葵和棉花等植物的模拟上。 这种模型包括： 1 ) 双尺度自动机模拟，用来产生植株拓扑结构，比l 系统更有效、简明。 2 ) 植株生物量生产与分配的模拟，能分配到每个生长的器官。 3 ) 器官形态的模拟，根据每个器官的累积生物量，依据异速生长规则模 拟每个器官的形态。 l m s y s 3 d a n d r e ae s u l i 开发的l i n s y s 3 d 对学习l - s y s t e m 和基本得植物建模有一定的帮 助。 参考网址：h t t p ：w c b f i s c a l i 训嘲d i ，“n s y s 3 d f o r e s t e r a r b o r e t u m 作者为s t e p h e n d a r t n a l l ，该软件在模拟自然环境方面做的很出色。 参考网址：h t t p ：w w w d a t t n a l l f 9 c o u k p l a n t s t u d i o 参考网址：h t t p ：w w w k u r t z - f e l - n h o u t c o m p l a n t s t u d i o i n d e x h t m 8 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 其他系统 表1 1 虚拟植物模拟软件列表 t a b l e1 1 1l i s to f v h 恤f lp l a n tm o d e l i n gs o f t i 竞 拇t 盛再 冀件名嚣 并究方售 主爵冠一再 竺嚣：兰： 唬嚣，乏霉“ 基于花生曩生毒葺曩方矗 花生长垃曩f 曩专搴曩托 u 目m f o “l t s 二耋盂墨豁2 墨孙 檀鼻丛的曩 羹 一- - t 。r e e 篇嚣岛 = 盖舌爹誓羞嚣享二篇拿蓑耋鐾盏誊茹譬铲荨 o , q n t c o 口 岫k 一- - t r e e 黜 面叫1 。日【h 衄椭i k h h d j d h基于形掌曲方击 二是拿耋薹皇葬纳 大 盅= ：= ：暑p l 瑚d l a n t 。| i r t a r c h “i t e c t t m e “l u -v h 岫li l l m l基于l 摹辘建羹方基一嚣荔嚣； 菇警譬玉皋簪农作- 以置 捌里 u n i v e f 血t yo lq u e 岫i a d 一瘸虫毒计量膏生长曲髟一 c m da m a p 拳 簟0 件 二皇拿篮摹龋方蕾 二黧舂麓器量赫 毒一 一量虎量什# i l u i 自o fa 口m m i - mb c o s m圈分一恃算叠蜘“十 二耋蠢茎嫠嚣麓 l 蚰l u u i v e m i t yo f o 枷 - - - c i f g 二藿盂掘窑器嚣 一-l计-算机辅鼬量虎设计曩 l - s t u d i o 二等望姜薹翥# 种 t 太 m y l o ng n p l i i c - l i d l e v 1 l e r 基于田形牛的方击基于g i s 量鼍盼檀蕾埴穗恢董 日奉窘手太一- - v v i i n r n 雌m i lc b - 0 a r n d s e n i n t 。一萎妾二：耳麓- 囊盼- 静一羞薯瑟嚣饿嚣臻耄聃 一晰甜l n d c - p 讳一鼍与土曩捆互作用蕞受一量规崔攮 k 衄 k 口由附i 【缸 = 躲盘“由 二盖j ；雾誓盖鬈享氛 一花曩簟担 一生成檀蕾圈片 凛= 2 普嚣苗幽 1 9 m 1基于形事t 美方盛用交置式方鸯快毫t 鼍鲁并一 1 3 课题的主要研究内容 本文在前人研究的基础上，针对环境因素影响下的虚拟植物生长建模可视化 做了以下几个方面的研究工作： 深入研究环境因素影响下的植物可视化建模的理论意义及应用领域； 深入研究虚拟植物的研究现状以及现有的虚拟植物建模软件； 从植物生理学上研究植物生长的环境及环境对植物生长的影响，并分析了 环境因子作用的特点； 深入研究环境因素影响下的植物生长的数学模型并将这些数学模型运用 到虚拟植物建模中，利用植物建模工具对部分模型进行了分析和模拟实现； 综合各种植物建模方法及植物的生理学特征，提出了实现环境因素影响下 的虚拟植物建模的系统框架和实现模型，并对关键技术进行分析，从各个方 面讨论了系统的可行性； 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 搭建o l p l a n t s 系统框架原型； 在论文期间查看了大量的文献和资料，并对多种植物建模软件进行了分析和对 比，做了很多实验，为数字农业项目的深入研究作了进一步铺垫。 1 4 本文的组织框架 第一章绪论